CN100570906C - 改善太阳能电池扩散的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善太阳能电池扩散的方法，其步骤是A、采用硅原料、导电类型P型；B、扩散：硅片在高温中与氧气，三氯氧磷发生化学反应，生成磷、五氯化磷、五氧化二磷、氯气；C、通氧再分布：再通入氧气与未消耗完的PCl5继续反应生成磷：D、与再分布相结合的磷原子Drive in过程；E、经过上述扩散，再分布和Drive in过程之后表面方块电阻为28～38Ω/□。本发明可提升高电阻率单晶硅太阳能电池的转换效率，扩散后硅片表面扩散均匀，方法易行，操作简便，成本低廉。

Description

改善太阳能电池扩散的方法
技术领域
本发明属于单晶硅太阳能电池制造领域，更具体涉及一种改善太阳能电池扩散的方法，该方法广泛应用于单晶硅太阳能电池(尤其是基体电阻率偏高的硅片)的制造过程。
背景技术
目前单晶硅太阳电池的主要制造工艺已经标准化，其经历的主要步骤为：
1.化学清洗及表面结构化处理(制绒)：通过化学反应使原本光亮的硅片表面形成金字塔状结构以增强光的吸收，在效果较好的情况下，这一步骤可以将硅片表面反射率由35％降低至10％左右；
2.扩散：这是太阳能电池制造过程的核心步骤之一，P型硅片在扩散后表面变成N型，从而形成PN结，硅片由此才具有光伏效应。而扩散的浓度，深度以及均匀性直接影响电池的电性能，扩散的情况宏观上用方块电阻来衡量，更细致的了解需要借助专用设备，测量扩散浓度、深度等；
3.周边刻蚀：该步骤主要去掉扩散时在硅片边缘形成的将PN结两端短路的导电层(PN结两端分别时电池的正负极)，目前大部分厂家都使用等离子刻蚀，无论设备还是工艺都相对成熟，刻蚀效果也很好；
4.沉积减反射膜：目前主要有两类减反射膜，氮化硅(Si3N4)和氧化钛(TiO2)，氮化硅本身性质稳定，对硅片有很好的钝化效果，对后继工序的进行也很有好处，外观上也较氧化钛更好，质量效果较好的氮化硅膜可以把表面反射率由制作绒面后的10％再降低至4％左右，目前光伏行业沉积氮化硅膜时基本上都采用等离子加强化学气相沉积(PECVD)(管式或者平板式，前者居多)；氧化钛膜的制作过程比氮化硅要简单，条件较好的企业会使用MOCVD来进行沉积，以控制均匀性；使用氧化钛膜最大的好处是成本低廉，但随着PECVD成膜工艺的不断成熟，氧化钛已逐渐被取代。PECVD也是核心工序之一；
5.印刷电极：这是一种被广泛采用的，成本低廉，可以用于大规模工业生产的方法，原理和在纸张上印刷文字相同，但是要注意印刷浆料的选择。由于目前硅片原料越来越薄(目前为200um左右)，手工操作已不再适用，于是各式自动印刷设备粉墨登场，目标也很清楚：在提高印刷质量同时将碎片控制在可接受的范围；
6.烧结：这是使印刷的电极与硅片之间形成合金的过程，具体参数取决于扩散时PN结的形成情况和PECVD沉积的氮化硅膜的情况；
早期的太阳电池生产线采用链式扩散炉配合液态磷源进行扩散，产能很大但是扩散状况不容乐观，电池效率很难突破16％，近年来随着技术的成熟，国内太阳电池制造企业大量采用管式扩散炉配合气态磷源进行扩散，扩散状况大有改善，再加上PECVD的使用，电池效率整体达到16％～17％的水平。前文已经叙述，作为太阳电池生产的核心工序之一，扩散的浓度，深度和均匀性直接影响着电池的性能，较为理想的扩散状况是：硅片表面掺杂浓度均匀且在5×1019atom/cm3上下；同一深度内磷原子的浓度相同。之所以要求表面浓度在一个范围内，是因为过大的掺杂浓度会使表面光生载流子复合加剧，反而降低电池对光的吸收。所以在实际生产中总是尽可能的使扩散更加均匀(管式扩散明显优于链式扩散正是因为其扩散均匀性好)。为了在生产中继续提高电池效率，行业内又出现了刻槽埋栅、选择性发射极结构、背面点接触结构等新型电池，但是要实现量产需要庞大的技术和资金支持，并非所有企业都能承受，而高电阻率单晶硅太阳电池的制造由于基体的关系更难达到高的转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种改善太阳能电池扩散的方法，该方法可提升高电阻率单晶硅太阳能电池的转换效率高，扩散后硅片表面扩散均匀，方法易行，操作简便，且成本低廉。
一种改善太阳能电池扩散的方法，其技术方案是：
改进为再分布工艺步骤：
硅片预热(800℃～900℃)-氮气携磷源进入开始扩散并形成N型层-停止通磷，开始通入干氧(温度830℃～900℃，流量1～4L/min，时间5～15min，氧气与未消耗完的PCl5继续反应生成磷)-drive in过程-过程结束
一种改善太阳能电池扩散的方法，其具体步骤如下：
A.硅片原料的选取
由于硅片原料的不同，会根据原料的性能来制定生产工艺，主流的太阳能级硅片原料的主要性能参数如下表：
  导电类型   P型
  厚度   200um～220um
  电阻率   0.5～2Ωcm
使用的硅片原料主要参数为：
  导电类型   P型
  厚度   280um～310um
  电阻率   0.5～10Ωcm
B.扩散
硅片在高温(800-900℃)气氛中与氧气，三氯氧磷发生化学反应，生成磷、五氯化磷、五氧化二磷、氯气等，主要化学反应方程式如下：
Si+O2＝SiO2
5POCl3＝3PCl5+P2O5(高温)
4PCl5+5O2＝2P2O5+10Cl2↑(高温)
2P2O5+5Si＝5SiO2+4P
扩散气体流量：大氮20～35L/min；小氮(携带磷源)1.6～2.5L/min；氧气2.0～3.5L/min；持续时间20～40min；
C.通氧再分布，
反应过程小氮携带的磷源是过量的，扩散B步骤后，再通入氧气(流量1～4L/min)，使之与未消耗完的PCl5继续反应生成更多的磷：
4PCl5+5O2＝2P2O5+10Cl2↑
2P2O5+5Si＝5SiO2+4P；
而之前生成的磷原子则会再高温下继续向深层扩散(磷原子继续扩散)。温度控制在830℃～900℃；气体流量：大氮20～35L/min；停止通小氮；氧气1～4L/min；持续时间5～15min；
D.与再分布相结合的磷原子Drive in过程
Drive in过程即杂质原子在高温下向深层扩散的过程，可使硅片表面不同地方的掺杂浓度变得更加均匀。通氧再分布过程结束后，继续通入大氮20～35L/min，停止通小氮和氧气，持续时间8～20min，温度控制在830℃～900℃；
E、经过B、C、D扩散，再分布和Drive in过程之后表面方块电阻为28-38Ω/□。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
在现有的太阳能电池制造工艺的基础上进行改进，操作简单，使用方便，无需购买任何设备，原料和时间消耗小，却能显著改善太阳电池成品的电性能。
具体实施方式：
实例1：一种改善太阳能电池扩散特性的方法，其步骤如下：
1)采用原料：
P型单晶硅，厚度280um～300um，电阻率0.5～7Ωcm
2)扩散
扩散温度：840或850或860或870℃
气体流量：大氮25L/min，小氮2.2L/min，干氧2.2L/min；持续时间：30min
3)通氧再分布
温度：840或850或860或870℃
气体流量：大氮25L/min，小氮0L/min，干氧3L/min；持续时间：10min
4)Drive in
温度：840或850或860或870℃
气体流量：大氮25L/min，小氮0L/min，干氧0/min；持续时间：10min整个过程完成后，无再分布的硅片表面方块电阻为35～39Ω/□，有再分布的硅片表面方块电阻为30～34Ω/□。
使用两种不同扩散过程的电池在性能上的差别，请见下表1-1、1-2
表1-1(没有再分布)：
编号   开路电压(伏)   短路电流(安)   最大功率(瓦)   工作电压(伏)   工作电流(安)   填充因子(％) 转换效率
  1   0.604   4.98   1.9   0.444   4.27   63   12.79％
  2   0.599   4.99   2.12   0.479   4.42   71   14.27％
  3   0.598   5.11   2.12   0.476   4.45   69   14.27％
  4   0.603   5.11   2.07   0.48   4.32   67   13.93％
  5   0.592   4.9   1.78   0.459   3.88   61   11.98％
  6   0.591   4.69   2.01   0.475   4.23   73   13.53％
  7   0.602   5.09   2.19   0.48   4.57   72   14.74％
  8   0.601   5.1   2.24   0.485   4.62   73   15.07％
  9   0.602   5.17   2.23   0.478   4.66   72   15.01％
  10   0.588   4.71   2.01   0.472   4.26   73   13.53％
  11   0.593   4.8   2.09   0.478   4.37   73   14.06％
  12   0.605   5.06   2.2   0.485   4.54   72   14.80％
  13   0.599   5.13   2.17   0.476   4.55   71   14.60％
  14   0.602   5.16   2.22   0.481   4.62   71   14.94％
  15   0.599   5.08   2.11   0.475   4.44   69   14.20％
  16   0.595   5.04   2.12   0.473   4.49   71   14.27％
  17   0.605   5.19   2.3   0.49   4.7   73   15.48％
  18   0.601   4.98   2   0.487   4.11   67   13.46％
  19   0.596   5.09   2.1   0.477   4.4   69   14.13％
  20   0.601   5.12   2.17   0.475   4.57   71   14.60％
  21   0.6   5.07   2.15   0.478   4.49   71   14.47％
  22   0.578   4.53   1.67   0.46   3.62   64   11.24％
  23   0.589   4.97   1.85   0.469   3.94   63   12.45％
  24   0.587   4.69   1.94   0.469   4.14   70   13.06％
  平均值   0.597   4.99   2.07   0.475   4.36   70   13.95％
表1-2(有再分布及Drive in过程)：
编号   开路电压(伏)   短路电流(安)   最大功率(瓦)   工作电压(伏)   工作电流(安)   填充因子(％) 转换效率
  1   0.599   5.13   2.19   0.48   4.57   71   14.74％
  2   0.597   5.16   2.19   0.478   4.59   71   14.74％
  3   0.601   5.07   2.21   0.485   4.54   72   14.87％
  4   0.601   5.14   2.26   0.485   4.65   73   15.21％
  5   0.599   5.1   2.23   0.483   4.61   73   15.01％
  6   0.6   5.19   2.26   0.483   4.68   73   15.21％
  7   0.599   5.11   2.23   0.482   4.63   73   15.01％
  8   0.598   5.12   2.29   0.49   4.68   75   15.41％
  9   0.595   5.09   2.14   0.475   4.5   71   14.40％
  10   0.599   5.14   2.19   0.478   4.58   71   14.74％
  11   0.601   5.12   2.27   0.487   4.66   74   15.28％
  12   0.595   5.08   2.12   0.472   4.5   70   14.27％
  13   0.6   5.02   2.21   0.484   4.56   73   14.87％
  14   0.602   5.17   2.25   0.483   4.65   72   15.14％
  15   0.596   5.15   2.19   0.48   4.57   71   14.74％
  16   0.598   5.14   2.25   0.483   4.65   73   15.14％
  17   0.6   5.06   2.23   0.487   4.58   73   15.01％
  18   0.596   5.16   2.17   0.474   4.58   70   14.60％
  19   0.599   5.18   2.25   0.482   4.68   73   15.14％
  20   0.602   5.14   2.24   0.483   4.64   72   15.07％
  21   0.598   5.08   2.19   0.48   4.56   72   14.74％
  22   0.601   5.12   2.27   0.488   4.65   74   15.28％
  23   0.6   5.04   2.22   0.484   4.59   73   14.94％
  24   0.598   5.11   2.24   0.483   4.64   73   15.07％
  平均值   0.599   5.12   2.22   0.482   4.61   72   14.94％
实例2：一种改善太阳能电池扩散特性的方法，其步骤如下：
1)采用原料：
P型单晶硅，厚度280um～300um，电阻率0.5～7Ωcm
2)扩散(改变温度)
扩散温度：835或855或865或875℃
气体流量：大氮25L/min，小氮2.2L/min，干氧2.2L/min；持续时间：30min
3)通氧再分布
温度：835或855或865或875℃
气体流量：大氮25L/min，小氮0L/min，干氧3L/min；持续时间：10min
4)Drive in
温度：835或855或865或875℃
气体流量：大氮25L/min，小氮0L/min，干氧0/min；持续时间：10min整个过程完成后，无再分布的硅片表面方块电阻为35～38Ω/□，有再分布的硅片表面方块电阻为31～33Ω/□。请见下表2-1、2-2。
表2-1(没有再分布)：
Figure C20081004696600091
表2-2(有再分布及Drive in过程)：
Figure C20081004696600102
Figure C20081004696600111
实例3：一种改善太阳能电池扩散特性的方法，其步骤如下：
1)采用原料：
P型单晶硅，厚度280um～300um，电阻率0.5～7Ωcm
2)扩散(增大大氮，干氧流量，减小小氮流量)
扩散温度：845或855或868或877℃
气体流量：大氮30L/min，小氮1.8L/min，干氧4L/min；持续时间：30min
3)通氧再分布(增大大氮，干氧流量)
温度：845或855或868或877℃
气体流量：大氮30L/min，小氮0L/min，干氧4L/min；持续时间：4min
4)Drive in(增大大氮流量)
温度：845或855或868或877℃
气体流量：大氮30L/min，小氮0L/min，干氧0/min；持续时间：10min整个过程完成后，无再分布的硅片表面方块电阻为35～39Ω/□，有再分布的硅片表面方块电阻为39～41Ω/□。请见下表3-1、3-2。
表3-1(没有再分布)：
编号   开路电压(伏)   短路电流(安)   最大功率(瓦)   工作电压(伏)   工作电流(安)   填充因子(％) 转换效率
  1   0.591   5.14   2.23   0.478   4.66   73   15.01％
  2   0.591   5.01   2.09   0.47   4.45   71   14.06％
  3   0.592   5.14   2.22   0.477   4.65   73   14.94％
  4   0.596   5.16   2.21   0.476   4.64   72   14.87％
  5   0.591   5.08   2.18   0.475   4.58   73   14.67％
  6   0.596   5.17   2.28   0.485   4.71   74   15.34％
  7   0.592   5.13   2.23   0.479   4.65   73   15.01％
  8   0.591   5.17   2.26   0.482   4.69   74   15.21％
  9   0.596   5.18   2.28   0.484   4.71   74   15.34％
  10   0.588   5.11   2.22   0.48   4.63   74   14.94％
  11   0.566   4.4   1.81   0.455   3.97   73   12.18％
  12   0.597   5.14   2.25   0.483   4.66   73   15.14％
  13   0.593   5.1   2.2   0.477   4.6   73   14.80％
  14   0.579   4.88   2.04   0.46   4.44   72   13.73％
  15   0.598   5.17   2.26   0.483   4.68   73   15.21％
  16   0.595   5.11   2.2   0.482   4.57   73   14.80％
  17   0.575   4.78   2   0.461   4.35   73   13.46％
  18   0.597   5.18   2.27   0.483   4.71   73   15.28％
  19   0.594   5.13   2.22   0.479   4.65   73   14.94％
  20   0.594   5.05   2.18   0.479   4.55   73   14.67％
  平均值   0.591   5.06   2.18   0.476   4.58   73   14.68％
表3-2(有再分布及Drive in过程)：
编号   开路电压(伏)   短路电流(安)   最大功率(瓦)   工作电压(伏)   工作电流(安)   填充因子(％) 转换效率
  1   0.585   5.12   2.24   0.479   4.67   75   15.07％
  2   0.591   5.09   2.25   0.485   4.64   75   15.14％
  3   0.591   5.09   2.24   0.483   4.63   74   15.07％
  4   0.594   5.14   2.25   0.488   4.61   74   15.14％
  5   0.593   5.07   2.23   0.485   4.61   74   15.01％
  6   0.601   5.21   2.37   0.495   4.78   76   15.95％
  7   0.59   5.03   2.23   0.489   4.56   75   15.01％
  8   0.591   5.14   2.24   0.482   4.65   74   15.07％
  9   0.59   5.08   2.19   0.489   4.49   73   14.74％
  10   0.591   5.05   2.22   0.487   4.57   74   14.94％
  11   0.592   5.15   2.22   0.482   4.6   73   14.94％
  12   0.594   5.17   2.32   0.495   4.69   76   15.61％
  13   0.591   5.12   2.24   0.482   4.64   74   15.07％
  14   0.587   5.12   2.22   0.475   4.68   74   14.94％
  15   0.597   5.25   2.36   0.489   4.82   75   15.88％
  16   0.601   5.08   2.33   0.496   4.7   76   15.68％
  17   0.598   5.26   2.34   0.49   4.78   74   15.75％
  18   0.591   5.07   2.23   0.484   4.62   75   15.01％
  19   0.59   5.06   2.23   0.483   4.61   75   15.01％
  20   0.588   5.06   2.16   0.484   4.46   73   14.54％
  平均值   0.592   5.12   2.26   0.486   4.64   74   15.18％
实例4：一种改善太阳能电池扩散特性的方法，其步骤如下：
1)采用原料：
P型单晶硅，厚度280um～300um，电阻率0.5～7Ωcm
2)扩散
扩散温度：842或852或862或872℃
气体流量：大氮30L/min，小氮1.8L/min，干氧4L/min；持续时间：30min
3)通氧再分布(改变干氧流量)
温度：842或852或862或872℃
气体流量：大氮30L/min，小氮0L/min，干氧3L/min；持续时间：4min
4)Drive in
温度：842或852或862或872℃
气体流量：大氮30L/min，小氮0L/min，干氧0/min；持续时间：10min整个过程完成后，无再分布的硅片表面方块电阻为40～43Ω/□，有再分布的硅片表面方块电阻为37～41Ω/□。请见下表4-1、4-2。
表4-1(没有再分布)：
Figure C20081004696600141
Figure C20081004696600151
表4-2(有再分布及Drive in过程)：
Figure C20081004696600161

Claims (1)

1、一种改善太阳能电池扩散的方法，其步骤是：
A、采用硅原料，导电类型P型，厚度280um～310um，电阻率0.5～10Ωcm；
B、扩散：硅片在800-900℃气氛中与氧气，三氯氧磷发生化学反应，生成磷、五氧化磷、五氧化二磷、氯气，方程式如下：
Si+O2＝SiO2
5POCl3＝3PCl5+P2O5
4PCl5+5O2＝2P2O5+10Cl2↑
2P2O5+5Si＝5SiO2+4P
扩散过程气体流量：
大氮20～35L/min；含磷氮气1.6～2.5L/min；氧气2.0～3.5L/min；
持续时间20～40min；
C、通氧再分布，扩散B步骤后，再通入氧气1～4L/min，与未消耗完的PCl5继续反应生成磷：
4PCl5+5O2＝2P2O5+10Cl2↑
2P2O5+Si＝5SiO2+4P
磷原子继续扩散，温度控制在830～900℃；气体流量：大氮：20～35L/min；停止通含磷氮气；氧气1～4L/min；持续时间5～15min；
D、与再分布相结合的磷原子深扩散过程：
通氧再分布过程结束后，继续通入大氮20～35L/min；停止通入含磷氮气和氧气；持续时间8～20min；温度控制在830～900℃；
E、经过上述B、C、D步骤扩散，再分布和深扩散过程之后表面方块电阻为28～38Ω。
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